Свойства элементов 3 группы. Глава xx

Третья группа периодической системы охватывает очень большое число химических элементов, так как в состав ее, кроме элементов главной и побочной подгрупп, входят элементы с порядковыми номерами 58-71 (лантаноиды) и с порядковыми номерами 90-103 (актиноиды). Мы рассмотрим лантаноиды и актиноиды вместе с элементами побочной подгруппы.

ГЛАВНАЯ ПОДГРУППА ТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ

Элементы главной подгруппы третьей группы - бор, алюминий, галлий, индий и таллий-характеризуются наличием трех электронов в наружном электронном слое атома.

Второй снаружи электронный слой атома бора содержит два электрона, атома алюминия - восемь, галлия, индия и таллия - по восемнадцать электронов. Важнейшие свойства этих элементов приведены в табл. 35.

Таблица 35. Некоторые свойства бора, алюминия и его аналогов

Металлические свойства рассматриваемых элементов выражены слабее, чем у соответствующих элементов главных подгрупп второй и особенно первой группы, а у бора преобладают неметаллические свойства. В соединениях они проявляют степень окисленности . Однако с возрастанием атомной массы появляются и более низкие степени окисленности. Для последнего элемента подгруппы - таллия - наиболее устойчивы соединения, в которых его степень окисленности равна .

С увеличением порядкового номера металлические свойства рассматриваемых элементов, как и в других главных подгруппах, заметно усиливаются. Так, оксид бора имеет кислотный характер, оксиды алюминия, галлия и индия - амфотерны, а оксид таллия (III) имеет основной характер.

Таблица 19- Характеристика элементов 3Ап/группы

Алюминий находится в главной подгруппе III группы Периодической таблицы. Атомы элементов подгруппы в основном состоянии имеют следующее строение внешней электронной оболочки: ns 2 np 1 . На внешнем энергетическом уровне атомов имеются свободные р-орбитали, что позволяет атомам переходить в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атомы этих элементов образуют три ковалентные связи или полностью отдают три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.

Алюминий является самым распространенным металлом на Земле: его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природного алюминия входит в состав алюмосиликатов – веществ, главными компонентами которых являются оксиды кремния и алюминия. Алюмосиликаты входят в состав многих горных пород и глин.

Свойства: Al представляет собой серебристо-белый металл, Это легкоплавкий и легкий металл. Он обладает высокой пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью. Al – химически активный металл. Однако его активность в обычных условиях несколько снижается из-за наличия тонкой пленки оксида, которая образуется на поверхности металла при контакте его с воздухом.

1. Взаимодействие с неметаллами. При обычных условиях алюминий реагирует с хлором и бромом:

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

При нагревании алюминий взаимодействует со многими неметаллами:

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

2Al + 3I 2 = 2AlI 3

2Al + N 2 = 2AlN

4Al + 3C = Al 4 C 3

2. Взаимодействие с водой. Из-за защитной оксидной пленки на поверхности алюминий устойчив в воде. Однако при удалении этой пленки происходит энергичное взаимодействие:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2

2. Взаимодействие с кислотами. Алюминий взаимодействует с хлороводородной и разбавленной серной кислотами:

2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2

2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2

Азотная и концентрированная серная кислоты пассивирует алюминий: при действии этих кислот увеличивается толщина защитной пленки на металле, и он не растворяется.

4. Взаимодействие со щелочами. Алюминий взаимодействует с растворами щелочей с выделением водорода и образованием комплексной соли:

2Al + 6NaOH + 6H 2 O = 2Na 3 + 3H 2

5. Восстановление оксидов металлов. Алюминий является хорошим восстановителем многих оксидов металлов:

2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Cr

8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe

Оксид и гидроксид алюминия. Оксид алюминия, или глинозем, Al 2 O 3 представляет собой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл или прокаливая гидроксид алюминия:

2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O

Оксид алюминия практически не растворяется в воде. Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых в недостатке, на растворы солей алюминия:

AlCl 3 + 3NH 3 ∙ H 2 O = Al(OH) 3 ↓ + 3NH 4 Cl

Оксид и гидроксид этого металла являются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.

Основные свойства :

Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O

2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

Кислотные свойства:

Al 2 O 3 + 6KOH +3H 2 O = 2K 3

2Al(OH) 3 + 6KOH = K 3

Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O

Производство. Алюминий получают электролитическим методом. Он не может быть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом. Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминия является электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.

Применение. Металлический алюминий широко используется в промышленности, по объему производства занимает второе место после железа. Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:

Дуралюмин – сплав алюминия, содержащий медь и небольшое количество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины – легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.

Магналин – сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- и машиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении.

Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергается литью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении, производстве точных приборов.

Алюминий – пластичный металл, поэтому из него изготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехнических изделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «под серебро».

Задания с профессиональной направленностью

1. Для очистки корнеплодов от кожицы после мойки их обваривают кипящим раствором кальцинированной соды (W = 4%). При избытке соляной кислоты в желудочном соке животных поят раствором питьевой соды. Напишите формулы этих веществ. Назовите другие области применения солей натрия и калия в сельскохозяйственной практике, в быту.

2. Йодид калия широко используют для подкормки животных микроэлементами и для удаления избыточного количества цветков на яблонях. Составьте уравнение реакции получения йодида калия, укажите окислитель и восстановитель.

3. Почему древесную золу (зола содержит в своем составе ионы калия К + и карбонат – ионы СО 3 2-), применяемую для удобрения полей, рекомендуют хранить в закрытых помещениях или под навесом? Напишите уравнения реакций, происходящих в случае увлажнения золы.

4. Слишком большая кислотность почвы оказывает на растение губительное влияние. В этом случае необходимо проводить известкование почвы. Внесение в почву известняка СаСО 3 понижает кислотность. Напишите уравнение реакции протекающей при этом.

5. Кислотность почвы не изменяется от внесения суперфосфата. Однако кислотность суперфосфата, содержащего избыток фосфорной кислоты, вредна для растений. Для его нейтрализации прибавляют СаСО 3 . Прибавить Са(ОН) 2 нельзя, т.к. суперфосфат перейдет в трудно усвояемое растениями соединение. Составьте уравнения соответствующих реакций.

6. Для борьбы с вредителями зерна, плодов и овощей применяется хлор из расчета 35 г на 1 м 3 помещения. Вычислите массу хлорида натрия, достаточного для обработки 300 м 3 помещения хлором, полученным электролизом расплава данной соли.

7. На каждые 100 ц урожая корнеплодов и ботвы сахарной свеклы из почвы выносится примерно 70 кг оксида калия. Какой массой сильвинита КСl · Na Cl, содержащего хлорид калия с массовой долей 0,56, можно компенсировать эти потери?

8. Для подкормки картофеля применяют раствор хлорида калия с массовой долей 0,04. Вычислите массу калийного удобрения (КCl), которая необходима для получения 20 кг такого раствора.

9. При получении питательного раствора для подкормки растений на 400 мл воды берут 1г КNO 3 ,1г МgSO 4 , 1г КН 2 РО 4 , 1г Са(NO 3) 2 . Вычислите массовую долю (в %) каждого вещества в полученном растворе.

10. Для сохранения влажного зерна от гниения его обрабатывают гидросульфатом натрия NaHSO 4 .Вычислите массу гидросульфата натрия, который получается при взаимодействии 120 г гидроксида натрия с раствором серной кислоты.

11. Какое удобрение содержит больше калия: калийная селитра (КNO 3), поташ (К 2 СО 3) или хлористый калий (КСl)?

12. Для предуборочного обезлиствения хлопчатника при его механической уборке применяется цианамид кальция. Найдите формулу этого соединения, зная, что массовые доли кальция, углерода и азота составляют соответственно 0,5; 0,15; 0,35.

13. При анализе древесной золы, применяемой в животноводстве в качестве подкормки для скота, найдено, что в золе массой 70г содержится 18,4 г кальция,0,07г фосфора и 2,3г натрия. Вычислите массовую долю (в %) каждого элемента в указанной подкормке.

14. Сколько известняка, содержащего 90% карбоната кальция, нужно внести на 30 га, если известкование проводить из расчета 4 т СаО на гектар.

15. Имеются: а) чистая аммиачная селитра, б) технический сильвинит, содержащий 33% калия. Смешением этих материалов надо получить одну тонну азотно-калийного удобрения, содержащего 15% азота. Какие количества обоих материалов следует смешать и сколько процентов калия будет содержать такая смесь?

4.9 Раздел: Главные переходные металлы

Цель: Изучить свойства металлов побочных подгрупп и их соединений

Переходные металлы - элементы побочных подгрупп периодической системы.

Алюминий находится в главной подгруппе III группы периодической системы. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеются свободные р-орбитали, что позволяет ему переходить в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом алюминия образует три ковалентные связи или полностью отдает три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.

Алюминий является самым распространенным металлом на Земле : его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природного алюминия входит в состав алюмосиликатов - веществ, главными компонентами которых являются оксиды кремния и алюминия.

Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета, плавится при 600°C, очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. По электропроводности алюминий уступает лишь серебру и меди.

Взаимодействие с простыми веществами:

с галогенами:

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3

с кислородом:

4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3

с серой:

2Al + 3S = Al 2 S 3

с азотом :

С водородом алюминий непосредственно не реагирует, но его гидрид AlH3 получен косвенным путем.

Взаимодействие со сложными веществами:

с кислотами:

2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2

со щелочами:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

Если NaOH в твердом состоянии:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2NaAlO 2 + 3H 2

с водой:

2Al + 6H2O = 2Al(OH) 3 + 3H2

Свойства оксида и гидроксида алюминия: оксид алюминия, или глинозем, Al 2 O 3 представляет собой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл или прокаливая гидроксид алюминия:

2Al(OH)3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O

Оксид алюминия практически не растворяется в воде. Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых в недостатке, на растворы солей алюминия:

AlCl 3 + 3NH 3 · H2O = Al(OH)3 + 3NH4Cl

Оксид и гидроксид этого металла являются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.

Основные свойства:

Al 2 O 3 + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O

2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

Кислотные свойства:

Al 2 O 3 + 6KOH +3H 2 O = 2K 3

2Al(OH) 3 + 6KOH = K 3

Al 2 O 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + H 2 O

Алюминий получают электролитическим методом. Он не может быть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом. Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминия является электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.

Металлический алюминий широко используется в промышленности, по объему производства занимает второе место после железа. Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:

Дуралюмин - сплав алюминия, содержащий медь и небольшое количество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины - легкие прочные и коррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.

Магналин - сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- и машиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому его применяют в судостроении. Силумин - сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергается литью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении, производстве точных приборов. Алюминий - пластичный металл, поэтому из него изготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехнических изделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «под серебро».

8950 0

В 14 группу входят C, Si, Ge, Sn, Pb (табл. 1 и 2). Как и элементы 3А подгруппы, это p -элементы со сходной электронной конфигурацией внешней оболочки - s 2 p 2 . При перемещении вниз по группе атомный радиус возрастает, вызывая ослабление свзяи между атомами. Из-за усиливающейся делокализации электронов внешних атомных оболочек в этом же направлении возрастает электропроводность, поэтому свойства элементов изменяются от неметаллических к металлическим. Углерод (С ) в форме алмаза является изолятором (диэлектриком), Si и Ge - полуметаллы, Sn и Pb - металлы и хорошие проводники.

Таблица 1. Некоторые физические и химические свойства металлов 14 группы

Все элементы этой группы образуют соединения со степенью окисления +4. Устойчивость этих соединений уменьшается при перемещении к нижней части группы, когда как у двухвалентных соединений она, наоборот, при таком перемещении возрастает. Все элементы, кроме Si , образуют также соединения с валентностью +2, что обусловлено «эффектом инертной пары »: втягиванием пары внешних s -элементов во внутреннюю электронную оболочку вследствие худшего экранирования внешних электронов d - и f -электронами по сравнению с s - и р -электронами внутренних оболочек у крупных атомов нижних членов группы.

Свойства элементов этой группы позволили использовать их в качестве противоводорослевых покрытий (ПП) судов. В первых таких покрытиях использовали Pb , затем стали применять Sn (в виде бис-трибутилового оловоорганического радикала, связанного с углеродным полимером). Из экологических соображений в 1989 г. использование в ПП этих, а также других токсичных металлов (Hg, Cd, As ) запретили, заменив на ПП на основе кремнийорганических полимеров.

Таблица 2. Содержание в организме, токсическая (ТД) и летальная дозы (ЛД) металлов 14 группы

Углерод (С) - отличается от всех других элементов так называемой катенацией , то есть способностью образовывать соединения, в которых его атомы связаны друг с другом в длинные цепи или кольца. Это свойство объясняет образование миллионов соединений, называемых органическими , которым посвящен отдельный раздел химии - органическая химия .

Способность углерода к катенации объясняется несколькими особенностями:

Во-первых, прочностью связи С - С . Так, средняя энтальпия этой связи составляет около 350 кДж/моль, тогда как энтальпия связи Si - Si — только 226 кДж/моль.

Во-вторых, уникальной способностью атомов углерода к гибридизации : образованию 4 sр 3 -орбиталей с тетраэдрической ориентацией (обеспечивающих формирование простых ковалентных связей), или 3 sр 2 -орбиталей, ориентированных в одной плоскости (обеспечивающих образование двойных связей), или 2 sр -орбиталей с линейной ориентацией (обеспечивающих образование тройных связей).

Таким образом, углерод может образовывать 3 типа координационного окружения: линейную у двух- и трехатомных молекул, когда КЧ элемента равно 2, плоскотреугольную у молекул графита, фуллеренов, алкенов, карбонильных соединений, бензольного кольца, когда КЧ равно 3, и тетраэдрическую у алканов и их производных с КЧ = 4.

В природе углерод встречается в виде аллотропных, то есть различных структурных форм (графит, алмаз, фуллерены), а также в виде известняка и углеводородного сырья (угля, нефти и газа). Используется в виде кокса при выплавке стали, сажи в полиграфии, активированного угля при очистке воды, сахара и т.п.

В 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике за изучение уникальной формы С - графена . Лауреатам - выходцам из России - А. Гейму и К. Новосёлову удалось получить этот материал из графита. Он представляет собой двумерный кристалл, то есть похож на сетку из атомов С толщиной в один атом , волнообразной структуры , что обеспечивает устойчивость кристалла. Его свойства очень многообещающие: он является самым тонким прозрачным материалом из всех ныне известных, притом чрезвычайно прочным (примерно в 200 раз прочнее стали), обладает электро- и теплопроводностью. При комнатной температуре его электрическое сопротивление самое минимальное среди всех известных проводников. В недалёком будущем на основе графена будут созданы сверхскоростные компьютеры, плоскопанельные экраны и солнечные батареи, а также чувствительные газовые детекторы, реагирующие на несколько молекул газа. Не исключены и другие сферы его использования.

В форме оксида (СО ) и цианидов (СN -) углерод очень токсичен, поскольку нарушает процессы дыхания. Механизмы биологического действия у этих соединений разные. Цианид ингибирует дыхательный фермент цитохромоксидазу , быстро связываясь с Си — активным центром фермента, блокируя электронный поток на конечном участке дыхательной цепи. СО , будучи основанием Льюиса, связывается с атомом Fe в молекуле гемоглобина прочнее, чем O 2 , образуя карбонилгемоглобин , лишенный способности связывать и переносить O 2 . Способность СО образовывать координационные связи с d -металлами в низких степенях окисления приводит к образованию многообразных карбонильных соединений. Например, Fe в очень ядовитом веществе — пситакарбопиле Fe (CO ) 5 — имеет нулевую степень окисления, а в комплексе [Fe (CO ) 4 ] 2- — степень окисления -2 (рис. 1).

Рис. 1.

Стабилизация атома металла в низкой степени окисления в комплексах с СО объясняется способностью углерода выступать благодаря структуре низко расположенных р *-орбиталей в роли акцепторного лиганда . Эти орбитали перекрываются с занятыми орбиталями металла, образуя координационную р -связь, в которой металл выступает донором электронов. Это одно из немногих исключений из общего правила образования КС, где акцептором электронов является металл.

Нет смысла описывать свойства углерода более подробно, поскольку при многоэлементном анализе его, как правило, не только не определяют, но и считают его примесь в образце нежелательной и подлежащей максимальному удалению при пробоподготовке. При оптическом эмиссионном анализе он даёт очень широкий спектр, повышая шумовой фон и снижая тем самым предел чувствительности обнаружения определяемых элементов. При масс-спектрометрии органические молекулы образуют большое количество осколков молекул с разной молекулярной массой, дающих значительные помехи при анализе. Поэтому в подавляющем большинстве случаев все углеродсодержащие вещества при пробоподготовке удаляют.

Кремний (Si) — полуметалл. При восстановлении кремнезема (SiО 2) углеродом образуется черный аморфный Si . Кристаллы Si высокой чистоты напоминают серо-голубой металл. Кремний применяют в полупроводниках, сплавах и полимерах. Он важен для некоторых форм жизни, например, для построения оболочек у диатомовых водорослей; возможно, имеет значение и для организма человека. Некоторые силикаты канцерогенны, некоторые вызывают силикоз.

Во всех соединениях Si четырехвалентен, образует химические связи ко-валентного характера. Наиболее распространен диоксид SiO 2 . Несмотря на химическую инертность и нерастворимость в воде, при попадании в организм может образовывать кремниевые кислоты и кремнийорганические соединения с неявно выраженными биологическими свойствами. Токсичность SiO 2 зависит от дисперсности частиц: чем они мельче, тем токсичнее, хотя корреляции между растворимостью различных форм SiO 2 и силикогенностью не наблюдается. Связь токсичности кремниевых кислот именно с Si доказывает полная инертность пыли алмаза той же дисперсности.

В последнее время отмечено, что в биосредах кремниевые кислоты участвуют в формировании гидроксилалюмосиликатов , причем это явление нельзя объяснить ни связью Si-С , ни связью Si-О-С . По мере расширения промышленного использования Аl и его соединений посредством алюмосиликатов Аl все шире вовлекается во множество биохимических реакций. В частности, функциональные кислород- и фторсодержащие группы легко образуют высокоустойчивые комплексные соединения с Аl , извращая их метаболизм.

Наиболее изучены среди кремнийорганических соединений силиконы — полимеры, скелет молекулы которых состоит из чередующихся связанных между собой атомов Si и O 2 . К атомам Si в силиконах присоединены алкильные или арильные группы. Наличие Si в кремнийорганических соединениях кардинально меняет свойства веществ, когда они его не содержат. Например, обычные полисахариды можно выделить и очистить с помощью крепкого этанола, который осаждает полисахарид из раствора. Кремнийсодержащие углеводы, напротив, не осаждаются даже в 90% этаноле. Классификация кремнийорганических соединений представлена в табл. 3.

Таблица 3. Кремнийорганические полимеры

Наиболее вероятным механизмом развития силикоза считают разрушение фагоцитов, захвативших частицы SiO 2 . При взаимодействии с лизосомами кремниевые частицы разрушают лизосомы и саму клетку-фагоцит, вызывая выделение ферментов и осколков молекул органелл. Они взаимодействуют с другими фагоцитами, то есть запускается цепной процесс гибели фагоцитов. Если в клетке имеется некоторое количество кремниевых кислот, этот процесс ускоряется. Скопление погибших макрофагов инициирует выработку в окружающих фибробластах коллагена, вследствие чего в очаге развивается склероз.

Коллоидная кремниевая кислота является мощным гемолитиком, изменяет соотношение сывороточных белков, ингибирует ряд дыхательных и тканевых ферментов, нарушает метаболизм многих веществ, в том числе фосфора. В последнее время большое внимание уделяют силилиевым ионам (R 3 Si +). В них проявляется уникальная способность атома Si расширять свою координационную сферу, в виде повышения его электрофильности. Он взаимодействует с любыми нуклеофилами, включая ионы противоположного заряда (в том числе и реакционноспособные промежуточные метаболические продукты) и молекулы растворителя. Поэтому в конденсированных фазах они становятся «неуловимыми» и выявить их оказывается сложно (Кочина с соавт., 2006).

Кремнийорганические полимеры (КОП) вначале применяли в качестве противоводорослевых самополирующихся покрытий корпуса судов (Цукерман, Рухадзе, 1996). Однако затем были предложены разнообразные способы применения КОП в других отраслях народного хозяйства, в частности, в медицине в качестве прочных протезов костей.

Германий (Ge) — амфотерный полуметалл; при сверхвысокой чистоте выглядит как хрупкие кристаллы серебристо-белого цвета. Применяется в полупроводниках, сплавах и специальных стеклах для инфракрасной оптики. Считается биологическим стимулятором. В соединениях проявляет степень окисления +2 и +4.

Всасывание двуокиси и галогенидов Ge в кишечнике слабое, но в виде германатов M 2 GeO 4 несколько улучшается. С белками плазмы германий не связывается, и распределяется между эритроцитами и плазмой в соотношении примерно 2:1. Быстро (время полувыведения около 36 ч) выводится из организма. В целом малотоксичен.

Олово (Sn) — мягкий, пластичный металл. Используется в смазках, сплавах, припое, как добавка к полимерам, в составе красок для противообрастающих покрытий, в составе высокоядовитых для низших растений и животных летучих оловоорганических соединений. В виде неорганических соединений нетоксичен.

Имеет два энантиотропа , «серое» (б) и «белое» (в) олово, то есть разные аллотропные формы, устойчивые в определенном диапазоне условий. Температура перехода между этими формами при давлении 1 атм. равна 286,2°К (13,2°С). Белое олово имеет искаженную структуру серой модификации с КЧ = 6 и плотностью 7,31 г/см 3 . Оно стабильно в обычных условиях, а при пониженной температуре медленно преобразуется в форму, имеющую алмазоподобную структуру с КЧ = 4 и плотностью 5,75 г/см 3 . Подобное изменение плотности металла в зависимости от температуры среды встречается крайне редко и может вызывать драматические последствия. Например, в условиях холодных зим разрушались оловянные пуговицы на мундирах солдат, а в 1851 г. в церкви г. Зейца оловянные трубы органа превратились в порошок.

В организме откладывается в печени, почках, костях, мышцах. При отравлении оловом снижается эритропоэз, что проявляется уменьшением показателей гематокрита, гемоглобина и числа эритроцитов. Отмечено также ингибирование дегидратазы 5-аминолевулината , одного из ферментов цепи биосинтеза гема, а также печеночных ферментов глутатионредуктазы и дегидрогеназ глюкозо-6-фосфата , лактата и сукцината . По-видимому, Sn выводится из организма в составе комплексов с SH -содержащими субстратами.

Свинец (Pb) — мягкий, ковкий, пластичный металл. Во влажном воздухе покрывается оксидной пленкой, устойчив к действию кислорода и воды. Используется в аккумуляторах, производстве кабелей, красок, стекла, смазок, бензина и средств защиты от радиации. Является токсичным металлом 1 группы опасности, так как накапливается в организме в костной ткани с нарушением функции почек и сердечнососудистой системы. В развитых странах его содержание контролируется при обязательной диспансеризации населения. Вызывает разнообразные заболевания.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Третья группа периодической системы охватывает очень большое число химических элементов, так как в состав ее, кроме элементов главной и побочной подгрупп, входят элементы с порядковыми номерами 58--71 (лантаноиды) и с порядковыми номерами 90--103 (актиноиды). Мы рассмотрим лантаноиды и актиноиды вместе с элементами побочной подгруппы. алюминий галлий индий

Элементы главной подгруппы третьей группы -- бор, алюминий, галлий, индий и таллий--характеризуются наличием трех электронов в наружном электронном слое атома.

Алюминий -- основной представитель металлов главной подгруппы III группы Периодической системы. Свойства его аналогов -- галлия, индия и таллия -- напоминают свойства алюминия, поскольку все эти элементы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего уровня ns 2 nр 1 и могут проявлять степень окисления +3.

Электронное строение элементов главной подгруппы III группы

Все элементы группы трехвалентны, но с увеличением атомного номера более характерной становится валентность 1 (Тl преимущественно одновалентен).

В ряду В--Аl--Gа--In--Тl уменьшается кислотность и увеличивается основность гидроксидов R(ОН) 3 . Н 3 ВО 3 -- кислота, Аl(ОН) 3 и Gа(ОН) 3 -- амфотерные основания, In(ОН) 3 и Тl(ОН) 3 -- типичные основания. ТlOН -- сильное основание.

Далее рассмотрим свойства элементов: подробно -- алюминия, как типичного представителя р-металлов, чрезвычайно широко применяемого на практике, бора, как представителя «полуметаллов» и проявляющего аномальные свойства по сравнению со всеми другими элементами подгруппы.

Алюминий - самый распространенный металл на Земле (3-е место среди всех элементов; 8% состава земной коры). В виде свободного металла в природе не встречается; входит в состав глиноземов (Аl 2 О 3), бокситов (Аl 2 О 3 * xН 2 О). Кроме того, алюминий обнаруживается в виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты.

Физические свойства.

Алюминий в свободном виде -- серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Алюминий имеет невысокую плотность -- примерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно -- это прочный металл.

Бор существует в нескольких аллотропных модификациях. Аморфный бор представляет собой темно-коричневый порошок. Кристаллический бор -- серо-черный, с металлическим блеском. По твердости кристаллический бор занимает второе место (после алмаза) среди всех веществ. При комнатной температуре бор плохо проводит электрический ток; так же, как кремний, он обладает полупроводниковыми свойствами.

Химические свойства.

Поверхность алюминия обычно покрыта прочной пленкой оксида Аl 2 О 3 , которая предохраняет его от взаимодействия с окружающей средой. Если эту пленку удаляют, то металл может энергично реагировать с водой:

2Аl + 6Н 2 О = 2Аl(ОН) 3 + ЗН 2 ^.

В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя большое количество теплоты:

2Аl + 3/2O 2 = Аl 2 О 3 + 1676 кДж.

Это обстоятельство используется для получения ряда металлов из их оксидов методом алюмотермии. Так назвали восстановление порошкообразным алюминием тех металлов, у которых теплоты образования оксидов меньше теплоты образования Аl 2 О 3 , например:

Сr 2 О 3 + 2Аl = 2Сr + Аl 2 О 3 + 539 кДж.

Бор, в отличие от алюминия, химически инертен (особенно кристаллический). Так, с кислородом он реагирует только при очень высоких температурах (> 700°С) с образованием борного ангидрида В 2 О 3:

2В + ЗО 2 = 2В 2 О 3 ,

с водой бор не реагирует ни при каких обстоятельствах. При еще более высокой температуре (> 1200°С) он взаимодействует с азотом, давая нитрид бора (служит для изготовления огнеупорных материалов):

Лишь со фтором бор реагирует при комнатной температуре, реакции же с хлором и бромом протекают только при сильном нагревании (400 и 600 °С соответственно); во всех этих случаях он образует тригалогениды ВНal 3 -- дымящие на воздухе летучие жидкости, легко гидролизующиеся водой:

2В + 3Наl 2 = 2ВНаl 3 .

В результате гидролиза образуется ортоборная (борная) кислота H 3 BO 3:

ВНаl 3 + 3Н 2 О = Н 3 ВО 3 + ЗННаl.

В отличие от бора, алюминий уже при комнатной температуре активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При нагревании он взаимодействует с серой (200 °С), азотом (800 °С), фосфором (500 °С) и углеродом (2000 °С):

2Аl + 3S = Аl 2 S 3 (сульфид алюминия),

2Аl + N 2 = 2АlN (нитрид алюминия),

Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),

4Аl + 3С = Аl 4 С 3 (карбид алюминия).

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака, фосфина и метана.

Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

2Аl + 6НСl = 2АlСl 3 + ЗН 2 ^.

Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде не действуют на алюминий. При нагревании алюминий способен восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:

2Аl + 6Н 2 SО 4(конц) = Аl 2 (SО 4) 3 + 3SО 2 + 6Н 2 О,

Аl + 6НNO 3(конц) = Аl(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3Н 2 О.

В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с выделением водорода:

2Аl + 3Н 2 SО 4 = Аl 2 (SО 4) 3 + 3Н 2 .

В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением оксида азота (II):

Аl + 4HNО 3 = Аl(NО 3) 3 + NO + 2Н 2 О.

Алюминий растворяется в растворах щелочей и карбонатов щелочных металлов с образованием тетрагидроксоалюминатов:

2Аl + 2NаОН + 6Н 2 О = 2Na[Аl(ОН) 4 ] + 3Н 2 ^.

Кислоты, не являющиеся окислителями, с бором не реагируют и только концентрированная HNO 3 окисляет его до борной кислоты:

В + HNO 3(конц) + Н 2 О = Н 3 ВO 3 + NO^.

Галлий (лат. Gallium), Ga, химический элемент III группы периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 31, атомная масса 69,72; серебристо-белый мягкий металл. Состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (60,5%) и 71 (39,5%).

Существование Галлия ("экаалюминия") и основные его свойства были предсказаны в 1870 году Д. И. Менделеевым. Элемент был открыт спектральным анализом в пиренейской цинковой обманке и выделен в 1875 году французским химиком П. Э. Лекоком де Буабодраном; назван в честь Франции (лат. Gallia). Точное совпадение свойств Галлия с предсказанными было первым триумфом периодической системы.

Среднее содержание Галлия в земной коре относительно высокое, 1,5·10 -3 % по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Галлий - типичный рассеянный элемент. Единственный минерал Галлия - галлит CuGaS 2 очень редок. Геохимия Галлия тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть Галлия в литосфере заключена в минералах алюминия. Содержание Галлия в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации Галлия наблюдаются также в сфалеритах (0,01-0,02%), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах.

Физические свойства Галлия. Галлий имеет ромбическую (псевдотетрагональную) решетку с параметрами а = 4,5197Е, b = 7,6601Е, c = 4,5257Е. Плотность (г/см 3) твердого металла 5,904 (20°С), жидкого 6,095 (29,8°С), то есть при затвердевании объем Галлия увеличивается; t пл 29,8°C, t кип 2230°С. Отличительная особенность Галлия - большой интервал жидкого состояния (2200°С) и низкое давление пара при температурах до 1100-1200°С. Удельная теплоемкость твердого Галлия 376,7 дж/(кг·К), то есть 0,09 кал/(г·град) в интервале 0-24°С, жидкого соответственно 410 дж/(кг·К), то есть 0,098 кал/(г·град) в интервале 29-100°С. Удельное электрическое сопротивление (ом·см) твердого Галлия 53,4·10 -6 (0°С), жидкого 27,2·10 -6 (30°С). Вязкость (пуаз = 0,1 н·сек/м 2): 1,612 (98°С), 0,578 (1100°С), поверхностное натяжение 0,735 н/м (735 дин/см) (30 °С в атмосфере Н 2). Коэффициенты отражения для длин волн 4360Е и 5890Е соответственно равны 75,6% и 71,3%. Сечение захвата тепловых нейтронов 2,71 барна (2,7·10 -28 м 2).

Химические свойства Галлия.

На воздухе при обычной температуре Галлий стоек. Выше 260° С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (пленка оксида защищает металл). В серной и соляной кислотах Галлий растворяется медленно, в плавиковой - быстро, в азотной кислоте на холоду Галлий устойчив. В горячих растворах щелочей Галлий медленно растворяется. Хлор и бром реагируют с Галлием на холоду, иод - при нагревании. Расплавленный Галлий при температурах выше 300° С взаимодействует со всеми конструкционными металлами и сплавами.

Наиболее устойчивы трехвалентные соединения Галлия, которые во многом близки по свойствам химическим соединениям алюминия. Кроме того, известны одно- и двухвалентные соединения. Высший оксид Gа 2 О 3 - вещество белого цвета, нерастворимое в воде. Соответствующий ему гидрооксид осаждается из растворов солей Галлия в виде белого студенистого осадка. Она имеет ярко выраженный амфотерный характер. При растворении в щелочах образуются галлаты (например, Na), при растворении в кислотах - соли Галлия: Gа 2 (SО 4) 3 , GaCl 3 и др. Кислотные свойства у гидрооксида Галлия выражены сильнее, чем у гидрооксида алюминия [интервал выделения Аl(ОН) 3 лежит в пределах рН = 10,6-4,1, a Ga(OH) 3 в пределах рН = 9,7-3,4].

В отличие от Al(ОН) 3 , гидрооксид Галлия растворяется не только в сильных щелочах, но и в растворах аммиака. При кипячении из аммиачного раствора вновь выпадает гидрооксид Галлия.

Из солей Галлия наибольшее значение имеют хлорид GaCl 3 (t пл 78°C, t кип 200°C) и сульфат Ga 2 (SO 4) 3 . Последний с сульфатами щелочных металлов и аммония образует двойные соли типа квасцов, например (NH 4)Ga(SO 4) 2 ·12H 2 O. Галлий образует малорастворимый в воде и разбавленных кислотах ферроцианид Ga 4 3 , что может быть использовано для его отделения от Аl и ряда других элементов.

Получение Галлия. Основной источник получения Галлия - алюминиевое производство. Галлий при переработке бокситов по способу Байера концентрируется в оборотных маточных растворах после выделения Аl(ОН) 3 . Из таких растворов Галлий выделяют электролизом на ртутном катоде. Из щелочного раствора, полученного после обработки амальгамы водой, осаждают Ga(OH) 3 , которую растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролизом.

При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды Галлий концентрируется в последних фракциях осадков, выделяемых в процессе карбонизации. Для дополнительного обогащения осадок гидрооксидов обрабатывают известковым молоком. При этом большая часть Al остается в осадке, а Галлий переходит в раствор, из которого пропусканием СО 2 выделяют галлиевый концентрат (6-8% Gа 2 О 3); последний растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролитически.

Источником Галлия может служить также остаточный анодный сплав процесса рафинирования Al по методу трехслойного электролиза. В производстве цинка источниками Галлия являются возгоны (вельц-оксиды), образующиеся при переработке хвостов выщелачивания цинковых огарков.

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий Галлий, промытый водой и кислотами (НСl, HNO 3), содержит 99,9-99,95% Ga. Более чистый металл получают плавкой в вакууме, зонной плавкой или вытягиванием монокристалла из расплава.

Применение Галлия. Наиболее перспективно применение Галлия в виде химических соединений типа GaAs, GaP, GaSb, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и других приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приемниках инфракрасного излучения. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью. Сплав алюминия с Галлием предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине. Жидкий Галлий и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600-1300°С) и манометров. Представляет интерес применение Галлия и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах (этому мешает активное взаимодействие Галлий при рабочих температурах с конструкционными материалами; эвтектический сплав Ga-Zn-Sn оказывает меньшее коррозионное действие, чем чистый Галлий).

Индий (лат. Indium), In, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 49, атомная масса 114,82; белый блестящий мягкий металл. Элемент состоит из смеси двух изотопов: 113 In (4,33%) и 115 In (95,67%); последний изотоп обладает очень слабой в-радиоактивностью (период полураспада T Ѕ = 6·10 14 лет).

В 1863 году немецкие ученые Ф. Райх и T. Рихтер при спектроскопическом исследовании цинковой обманки обнаружили в спектре новые линии, принадлежащие неизвестному элементу. По ярко-синей (цвета индиго) окраске этих линий новый элемент был назван Индий.

Распространение Индия в природе. Индий - типичный рассеянный элемент, его среднее содержание в литосфере составляет 1,4·10 -5 % по массе. При магматических процессах происходит слабое накопление Индия в гранитах и других кислых породах. Главные процессы концентрации Индия в земной коре связаны с горячими водными растворами, образующими гидротермальные месторождения. Индий связан в них с Zn, Sn, Cd и Pb. Сфалериты, халькопириты и касситериты обогащены Индием в среднем в 100 раз (содержание около l,4·10 -3 %). Известны три минерала Индия - самородный Индий, рокезит CuInS 2 и индит In 2 S 4 , но все они крайне редкие. Практическое значение имеет накопление Индия в сфалеритах (до 0,1%, иногда 1%). Обогащение Индия характерно для месторождений Тихоокеанского рудного пояса.

Физические свойства Индия .

Кристаллическая решетка Индия тетрагональная гранецентрированная с параметрами а = 4,583Е и с= 4,936Е. Атомный радиус 1,66Е; ионные радиусы In 3+ 0,92Е, In + 1,30Е; плотность 7,362 г/см 3 . Индий легкоплавок, его t пл 156,2 °C; t кип 2075 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 33·10 -6 (20 °С); удельная теплоемкость при 0-150°С 234,461 дж/(кг·К), или 0,056 кал/(г·° С); удельное электросопротивление при 0°C 8,2·10 -8 ом·м, или 8,2·10 -6 ом·см; модуль упругости 11 н/м 2 , или 1100 кгс/мм 2 ; твердость по Бринеллю 9 Мн/м 2 , или 0,9 кгс/мм 2 .

Химические свойства Индия .

В соответствии с электронной конфигурацией атома 4d 10 5s 2 5p 1 Индий в соединениях проявляет валентность 1, 2 и 3 (преимущественно). На воздухе в твердом компактном состоянии Индий стоек, но окисляется при высоких температурах, а выше 800 °C горит фиолетово-синим пламенем, давая оксид In 2 O 3 - желтые кристаллы, хорошо растворимые в кислотах. При нагревании Индий легко соединяется с галогенами, образуя растворимые галогениды InCl 3 , InBr 3 , InI 3 . Нагреванием Индия в токе HCl получают хлорид InCl 2 , а при пропускании паров InCl 2 над нагретым In образуется InCl. С серой Индий образует сульфиды In 2 S 3 , InS; они дают соединения InS·In 2 S 3 и 3InS·In 2 S 3 . В воде в присутствии окислителей Индий медленно корродирует с поверхности: 4In + 3O 2 +6H 2 O = 4In(ОН) 3 . В кислотах Индий растворим, его нормальный электродный потенциал равен -0,34 в, в щелочах практически не растворяется. Соли Индия легко гидролизуются; продукт гидролиза - основные соли или гидрооксид In(OH) 3 . Последний хорошо растворим в кислотах и плохо - в растворах щелочей (с образованием солей - индатов): In(ОН) 3 + 3KOH = K 3 . Соединения Индия низших степеней окисления довольно неустойчивы; галогениды InHal и черный оксид In 2 O - очень сильные восстановители.

Получение Индия.

Индий получают из отходов и промежуточных продуктов производств цинка, свинца и олова. Это сырье содержит от тысячных до десятых долей процента Индия. Извлечение Индия складывается из трех основные этапов: получение обогащенного продукта - концентрата Индия; переработка концентрата до чернового металла; рафинирование. В большинстве случаев исходное сырье обрабатывают серной кислотой и переводят Индий в раствор, из которого гидролитическим осаждением выделяют концентрат. Черновой Индий выделяют главным образом цементацией на цинке или алюминии. Рафинирование производят химическими, электрохимическими, дистилляционными и кристаллофизическими методами.

Применение Индия .

Наиболее широко Индий и его соединения (например, нитрид InN, фосфид InP, антимонид InSb) применяют в полупроводниковой технике. Индий служит для различных антикоррозионных покрытий (в т. ч. подшипниковых). Индиевые покрытия обладают высокой отражательной способностью, что используется для изготовления зеркал и рефлекторов. Промышленное значение имеют некоторые сплавы Индий, в том числе легкоплавкие сплавы, припои для склеивания стекла с металлом и другие.

Таллий (лат. Thallium), Tl, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 81, атомная масса 204,37; на свежем разрезе серый блестящий металл; относится к редким рассеянным элементам. В природе элемент представлен двумя стабильными изотопами 203 Tl (29,5%) и 205 Tl (70,5%) и радиоактивными изотопами 207 Tl - 210 Tl - членами радиоактивных рядов. Искусственно получены радиоактивные изотопы 202 Tl (Т Ѕ = 12,5 сут), 204 Tl (T Ѕ = 4,26 года), 206 Tl (Т Ѕ = 4,19 мин) и другие. Таллий открыт в 1861году У. Круксом в шламе сернокислотного производства спектроскопическим методом по характерной зеленой линии в спектре (отсюда название: от греч. thallos - молодая, зеленая ветка). В 1862 году французский химик К. О. Лами впервые выделил Таллий и установил его металлическую природу.

Распространение Таллия в природе. Среднее содержание Таллия в земной коре (кларк) 4,5·10 -5 % по массе, но благодаря крайнему рассеянию его роль в природных процессах невелика. В природе встречаются преимущественно соединения одновалентного и реже трехвалентного Таллия. Как и щелочные металлы, Таллий концентрируется в верхней части земной коры - в гранитном слое (среднее содержание 1,5·10 -4 %), в основные породах его меньше (2·10 -5 %), а в ультраосновных лишь 1·10 -6 %. Известно лишь семь минералов Таллия (например, круксит, лорандит, врбаит и другие), все они крайне редкие. Наибольшее геохимическое сходство Таллий имеет с К, Rb, Cs, а также с Pb, Ag, Cu, Bi. Таллий легко мигрирует в биосфере. Из природных вод он сорбируется углями, глинами, гидрооксидами марганца, накапливается при испарении воды (например, в озере Сиваш до 5·10 -8 г/л).

Физические свойства Таллия

Таллий мягкий металл, на воздухе легко окисляется и быстро тускнеет. Таллий при давлении 0,1 Мн/м 2 (1 кгс/см 2) и температуре ниже 233 °С имеет гексагональную плотноупакованную решетку (а=3,4496Е; с = 5,5137Е), выше 233 °С - объемноцентрированную кубическую (а = 4,841Е), при высоких давлениях 3,9 Гн/м 2 (39000 кгс/см 2) - гранецентрированную кубическую; плотность 11,85г/см 3 ; атомный радиус 1,71Е, ионные радиусы: Tl + 1,49 Е, Tl 3+ 1,05 Е; Т пл 303,6 °С; Т кип 1457 °С, удельная теплоемкость 0,130 кдж/(кг·К) при 20-100 °С; температурный коэффициент линейного расширения 28·10 -6 при 20 °С и 41,5·10 -6 при 240-280 °С; теплопроводность 38,94 вт/(м -К) . Удельное электросопротивление при 0 °С (18·10 -6 ом -см); температурный коэффициент электросопротивления 5,177·10 -3 - 3,98·10 -3 (0-100 °С). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 2,39 К. Таллий диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,249·10 -6 (30 °С).

Химические свойства Таллия.

Конфигурация внешней электронной оболочки атома Tl 6s 2 6р 1 ; в соединениях имеет степень окисления +1 и +3 . Таллий взаимодействует с кислородом и галогенами уже при комнатной температуре, с серой и фосфором при нагревании. Хорошо растворяется в азотной, хуже в серной кислотах, не растворяется в галогенводородных, муравьиной, щавелевой и уксусной кислотах. Не взаимодействует с растворами щелочей; свежеперегнанная вода, не содержащая кислорода, не действует на Таллий. Основные соединения с кислородом: оксид (I) Tl 2 О и оксид (III) Tl 2 О 3 . Оксид Таллия (I) и соли Tl (I) нитрат, сульфат, карбонат - растворимы; хромат, бихромат, галогениды (за исключением фторида), а также оксид Таллия (III) - малорастворимы в воде. Tl (Ш) образует большое число комплексных соединений с неорганических и органических лигандами. Галогениды Tl (Ш) хорошо растворимы в воде. Наибольшее практическое значение имеют соединения Tl (I).

Получение Таллия .

В промышленного масштабах технический Таллий получают попутно при переработке сульфидных руд цветных металлов и железа. Его извлекают из полупродуктов свинцового, цинкового и медного производств. Выбор способа переработки сырья зависит от его состава. Например, для извлечения Таллия и других ценных компонентов из пылей свинцового производства проводится сульфатизация материала в кипящем слое при 300-350 °С. Полученную сульфатную массу выщелачивают водой, и из раствора экстрагируют Таллий 50%-ным раствором трибутилфосфата в керосине, содержащим иод, а затем реэкстрагируют серной кислотой (300 г/л) с добавкой 3%-ной перекиси водорода. Из реэкстрактов металл выделяют цементацией на цинковых листах. После переплавки под слоем едкого натра получают Таллий чистотой 99,99%. Для более глубокой очистки металла применяют электролитическое рафинирование и кристаллизационную очистку. алюминий, галлий, индий

Применение Таллия.

В технике Таллий применяется главным образом в виде соединений. Монокристаллы твердых растворов галогенидов TlBr - TlI и TlCl - TlBr (известные в технике как КРС-5 и КРС-6) используют для изготовления оптических деталей в приборах инфракрасной техники; кристаллы TlCl и TlCl-TlBr- в качестве радиаторов счетчиков Черенкова. Tl 2 О входит в состав некоторых оптических стекол; сульфиды, оксисульфиды, селениды, теллуриды - компоненты полупроводниковых материалов, использующихся при изготовлении фотосопротивлений, полупроводниковых выпрямителей, видиконов. Водный раствор смеси муравьино- и малоновокислого Таллия (тяжелая жидкость Клеричи) широко применяют для разделения минералов по плотности. Амальгама Таллия, затвердевающая при -59°С, применяется в низкотемпературных термометрах. Металлический Таллий используют для получения подшипниковых и легкоплавких сплавов, а также в кислородомерах для определения кислорода в воде. 204 Tl в качестве источника в-излучений применяют в радиоизотопных приборах.

Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811; кристаллы серовато-черного цвета (очень чистый Бор бесцветен). Природный Бор состоит из двух стабильных изотопов: 10 B (19%) и 11 B (81%).

Ранее других известное соединение Бора - бура - упоминается в сочинениях алхимиков под арабским названием "бурак" и латинским Borax, откуда и произошло наименование "бор". Свободный Бор (нечистый) впервые получили французские химики Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар в 1808 году нагреванием борного ангидрида B 2 O 3 с металлическим калием. Общее содержание Бора в земной коре 3·10 -4 % по массе. В природе Бор в свободном состоянии не обнаружен. Многие соединения Бора широко распространены, особенно в небольших концентрациях. В виде боросиликатов, боратов, бороалюмосиликатов, а также как изоморфная примесь в других минералах Бор входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Соединения Бора найдены в нефтяных водах, морской воде, соляных озерах, горячих источниках, в вулканических и сопочных грязях, во многих почвах.

Физические свойства Бора .

Известно несколько кристаллических модификаций Бор Для двух из них рентгеноструктурным анализом удалось полностью определить кристаллическую структуру, которая в обоих случаях оказалась весьма сложной. Атомы Бора образуют в этих структурах трехмерный каркас подобно атомам углерода в алмазе. Этим объясняется высокая твердость Бора. Однако строение каркаса в структурах Бора гораздо сложнее, чем в алмазе. Основной структурной единицей в кристаллах Бора служат двадцатигранники (икосаэдры), в вершинах каждого из которых находятся 12 атомов Бора. Икосаэдры соединяются между собой как непосредственно, так и посредством промежуточных атомов Бора, не входящих в состав какого-либо икосаэдра. При таком строении оказывается, что атомы Бор в кристаллах имеют разные координационные числа: 4, 5, 6 и 5 + 2 (5 ближних "соседей" и 2 более далеких). Так как на внешней оболочке атома Бора находятся всего 3 электрона (электронная конфигурация 2s 2 2p 1), на каждую присутствующую в кристаллическом Боре связь приходится существенно меньше двух электронов. В соответствии с современными представлениями, в кристаллах Бор осуществляется особый тип ковалентной связи - многоцентровая связь с дефицитом электронов. В соединениях ионного типа Бор 3-валентен. Так называемый "аморфный" Бор, получаемый при восстановлении B 2 O 3 металлическим натрием или калием, имеет плотность 1,73 г/см 3 . Чистый кристаллический Бор имеет плотность 2,3 г/см 3 , температуру плавления 2030°С, температуру кипения 3860°С; твердость Бора по минералогической шкале 9, микротвердость 34 Гн/м 2 (3400 кгс/мм 2). Кристаллический Бор - полупроводник. В обычных условиях он проводит электрический ток плохо. При нагревании до 800°С электрическая проводимость Бора увеличивается на несколько порядков, причем знак проводимости меняется (электронная - при низких температурах, дырочная - при высоких).

Химические свойства Бора.

Химически Бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причем кристаллический Бор менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность Бора возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами. При нагревании на воздухе до 700°С Бор горит красноватым пламенем, образуя борный ангидрид B 2 O 3 - бесцветную стекловидную массу. При нагревании выше 900 °С Бор с азотом образует нитрид бора BN, при нагревании с углем -карбид бора B 4 C 3 , с металлами - бориды. С водородом Бор заметно не реагирует; его гидриды (бороводороды) получают косвенным путем. При температуре красного каления Бор взаимодействует с водяным паром: 2B + 3Н 2 О = B 2 O 3 + 3H 2 . В кислотах Бор при обычной температуре не растворяется, кроме концентрированной азотной кислоты, которая окисляет его до борной кислоты H 3 BO 3 . Медленно растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием боратов.

Во фториде BF 3 и других галогенидах Бор связан с галогенами тремя ковалентными связями. Поскольку для завершения устойчивой 8-электронной оболочки атому Бора в галогениде BX 3 недостает пары электронов, молекулы галогенидов, особенно BF 3 , присоединяют молекулы других веществ, имеющие свободные электронные пары, например аммиака.

В таких комплексных соединениях атом Бор окружен четырьмя атомами (или группами атомов), что соответствует характерному для Бора в его соединениях координационному числу 4. Важные комплексные соединения Бор - борогидриды, например Na, и фтороборная, или борофтористоводородная, кислота H , образующаяся из BF 3 и HF; большинство солей этой кислоты (фтороборатов) растворимы в воде (за исключением солей К, Rb, Cs). Общая особенность самого Бора и его соединений - их сходство с кремнием и его соединениями. Так, борная кислота, подобно кремниевой, обладает слабыми кислотными свойствами и растворяется в HF с образованием газообразного BF 3 (кремниевая дает SiF 4). Бороводороды напоминают кремневодороды, а карбид Бора - карбид кремния, и т. д. Представляет интерес особое сходство модификаций нитрида BN с графитом или алмазом. Это связано с тем, что атомы В и N по электронной конфигурации совместно имитируют 2 атома С (у В - 3 валентных электрона, у N - 5, у двух атомов С - по 4). Эта аналогия характерна и для других соединений, содержащих одновременно Бор и азот. Так, боразан ВН 3 -NH 3 подобен этану СН 3 -СН 3 , а боразен BH 2 =NH 2 и простейший боразин BH?NH подобны соответственно этилену СН 2 =СН 2 и ацетилену СН?СН. Если тримеризация ацетилена С 2 Н 2 дает бензол С 6 Н 6 , то аналогичный процесс приводит от боразина BHNH к боразолу B 3 N 3 H 6 .

Получение Бора .

Элементарный Бор из природного сырья получают в несколько стадий. Разложением боратов горячей водой или серной кислотой (в зависимости от их растворимости) получают борную кислоту, а ее обезвоживанием - борный ангидрид. Восстановление В 2 О 3 металлическим магнием дает Бор в виде темно-бурого порошка; от примесей его очищают обработкой азотной и плавиковой кислотами. Очень чистый Бор, необходимый в производстве полупроводников, получают из его галогенидов: восстанавливают ВCl 3 водородом при 1200°С или разлагают пары ВВr 3 на танталовой проволоке, раскаленной до 1500°С. Чистый Бор получают также термическим разложением бороводородов.

Применение Бора. Бор в небольших количествах (доли%) вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их механических свойств; уже присадка к стали 0,001-0,003% Бор повышает ее прочность (обычно в сталь вводят Бор в виде ферробора, то есть сплава железа с 10-20% Бора). Поверхностное насыщение стальных деталей бором (до глубины 0,1-0,5 мм) улучшает не только механические свойства, но и стойкость стали против коррозии. Благодаря способности изотопа 10 В поглощать тепловые нейтроны, его применяют для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов, служащих для прекращения или замедления реакции деления. Бор в виде газообразного BF 3 используют в счетчиках нейтронов. (При взаимодействии ядер 10 В с нейтронами образуются заряженные б-частицы, которые легко регистрировать; число же б-частиц равно числу нейтронов, поступивших в счетчик: 10 5 В + 1 0 n = 7 3 Li + 4 2 б). Сам Бор и его соединения - нитрид BN, карбид B 4 C 3 , фосфид ВР и другие - применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалы. Обширное применение находят борная кислота и ее соли (прежде всего бура), бориды и другие. BF 3 - катализатор некоторых органических реакций.

Бор в организме

. Бор относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли% на сухую массу). Бор необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка Бора - отмирание точки роста главного стебля, а затем и пазушных почек. Одновременно черешки и листья становятся хрупкими, цветки не появляются или не образуются плоды; поэтому при недостатке Бора падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком Бора, например гниль сердечка сахарной свеклы, черная пятнистость столовой свеклы, побурение сердцевины брюквы и цветной капусты, засыхание верхушки льна, желтуха верхушки люцерны, бурая пятнистость абрикосов, опробковение яблок. При недостатке Бора замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых Бор является необходимым элементом, пока неизвестны. При недостатке Бора у растений снижается содержание аденозинтрифосфорной кислоты, а также нарушается процесс окислительного фосфорилирования, вследствие чего энергия, выделяющаяся при дыхании, не может быть использована для синтеза необходимых веществ. При недостатке Бора в почве в нее вносят борные удобрения. В биогеохимических провинциях с избытком Бора в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением Бора,- гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и других. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишенные растительности, "плешины", - один из поисковых признаков месторождения Бора. Значение Бора в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием Бора (60-600 мг/кг сухого вещества и более) нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов) и появляется эндемическое заболевание желудочно-кишечного тракта - борный энтерит.

Алюминий (лат. Aluminium), Al, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 13, атомная масса 26,9815; серебристо-белый легкий металл. Состоит из одного стабильного изотопа 27 Al.

Историческая справка. Название Алюминий происходит от лат. alumen - так еще за 500 лет до н. э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl 3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na 3 AlCl 6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 годы было получено всего 200 т Алюминия. Современный способ получения Алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава разработан в 1886 году одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

Распространение Алюминия в природе. По распространенности в природе Алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е - среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80% . В свободном виде Алюминий в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов Алюминия, преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют боксит, алунит и нефелин. Нефелиновые породы беднее бокситов глиноземом, но при их комплексном использовании получаются важные побочные продукты: сода, поташ, серная кислота. В СССР разработан метод комплексного использования нефелинов. Нефелиновые руды в СССР образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения и создают практически неограниченные возможности для развития алюминиевой промышленности.

Физические свойства Алюминия .

Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Е. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м 3 ; t пл 660,24°С; t кип около 2500°С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100°С) 23,86·10 -6 ; теплопроводность (при 190°С) 343 вт/м·К , удельная теплоемкость (при 100°С) 931,98 дж/кг·К. ; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50-60 Мн/м 2), твердостью (170 Мн/м 2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м 2 , твердость - до 270 Мн/м 2 , относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м 2 ~ и 0,1 кгс/мм 2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al 2 О 3 , защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.

Химические свойства Алюминия.

Внешняя электронная оболочка атома Алюминия состоит из 3 электронов и имеет строение 3s 2 3р 1 . В обычных условиях Алюминий в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя так называемых субсоединения. Субгалогениды Алюминия, AlF и АlСl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Аl и AlF 3 или АlСl 3 и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого Алюминия. При накаливании мелкоизмельченный или порошкообразный Алюминий энергично сгорает на воздухе. Сжиганием Алюминия в токе кислорода достигается температура выше 3000°С. Свойством Алюминия активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их оксидов (Алюминотермия). При темно-красном калении фтор энергично взаимодействует с Алюминием, образуя AlF 3 . Хлор и жидкий бром реагируют с Алюминием при комнатной температуре, иод - при нагревании. При высокой температуре Алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al 4 C 3 и сульфид Al 2 S 3 . С водородом Алюминий не взаимодействует; гидрид Алюминия (AlН 3) X получен косвенным путем. Большой интерес представляют двойные гидриды Алюминия и элементов I и II групп периодической системы состава МеН n · n AlH 3 , так называемые алюмогидриды. Алюминий легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя алюминаты. Большинство солей Алюминия хорошо растворимо в воде. Растворы солей Алюминия вследствие гидролиза показывают кислую реакцию.

Получение Алюминия .

В промышленности Алюминий получают электролизом глинозема Аl 2 О 3 , растворенного в расплавленном криолите NasAlF 6 при температуре около 950° С. Используются электролизеры трех основных конструкций: 1) электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым подводом тока, 2) то же, но с верхним подводом тока и 3) электролизеры с обожженными анодами. Электролитная ванна представляет собой железный кожух, футерованный внутри тепло- и электро-изолирующим материалом - огнеупорным кирпичом, и выложенный угольными плитами и блоками. Рабочий объем заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6-8% глинозема и 94-92% криолита (обычно с добавкой AlF 3 и около 5-6% смеси фторидов калия и магния). Катодом служит подина ванны, анодом - погруженные в электролит угольные обожженные блоки или же набивные самообжигающиеся электроды. При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный Алюминий, который накапливается на подине, а на аноде - кислород, образующий с угольным анодом CO и CO 2 . К глинозему, основному расходуемому материалу, предъявляются высокие требования по чистоте и размерам частиц. Присутствие в нем оксидов более электроположительных элементов, чем Алюминий, ведет к загрязнению Алюминия. При достаточном содержании глинозема ванна работает нормально при электрическом напряжении порядка 4-4,5 В. Ванны присоединяют к источнику постоянного тока последовательно (сериями из 150-160 ванн). Современные электролизеры работают при силе тока до 150 кА. Из ванн Алюминий извлекают обычно с помощью вакуум-ковша. Расплавленный Алюминий чистотой 99,7% разливают в формы. Алюминий высокой чистоты (99,9965%) получают электролитическим рафинированием первичного Алюминия с помощью так называемых трехслойного способа, снижающего содержание примесей Fe, Si и Сu. Исследования процесса электролитического рафинирования Алюминия с применением органических электролитов показали принципиальную возможность получения Алюминий чистотой 99,999% при относительно низком расходе энергии, но пока этот метод обладает низкой производительностью. Для глубокой очистки Алюминий применяют зонную плавку или дистилляцию его через субфторид.

При электролитическом производстве Алюминия возможны поражения электрическим током, высокой температурой и вредными газами. Для избежания несчастных случаев ванны надежно изолируют, рабочие пользуются сухими валенками, соответствующей спецодеждой. Здоровая атмосфера поддерживается эффективной вентиляцией. При постоянном вдыхании пыли металлического Алюминия и его оксида может возникнуть алюминоз легких. У рабочих, занятых в производстве Алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (риниты, фарингиты, ларингиты). Предельно допустимая концентрация в воздухе пыли металлического Алюминий, его оксида и сплавов 2 мг/м 3 .

Применение Алюминия.

Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных). Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа А III B V ,применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.

В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т. д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.

В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе)- одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300°С большой жаропрочностью.

Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.

Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общая характеристика р-элементов III группы, их основные физические и химические свойства. Описание самых распространенных элементов: бора, алюминия, подгруппы галлия. Их биологическая роль, применение и распространенность. Причины парникового эффекта.

дипломная работа , добавлен 08.08.2015


Характеристика галлия как не самого легкоплавкого из металлов, температура плавления. История открытия элемента, область его применения. Попытки применения галлия в атомных реакторах. Патент на применение галлия. Взаимодействие галлия с серной кислотой.

реферат , добавлен 19.01.2010


Получение, строение и физико-химические свойства тригалогенидов галлия. Ионные и молекулярные комплексы с органическими и неорганическими лигандами. Термохимические характеристики комплексов. Синтез комплекса хлорида галлия с 1,2-бис(4-пиридил)этиленом.

курсовая работа , добавлен 05.10.2015


Физические свойства элементов главной подгруппы III группы. Общая характеристика алюминия, бора. Природные неорганические соединения углерода. Химические свойства кремния. Взаимодействие углерода с металлами, неметаллами и водой. Свойства оксидов.

презентация , добавлен 09.04.2017


История открытия химических элементов. Запасы и добыча разведанных месторождений индия и таллия. Физические и химические свойства элементов, их получение и применение. Опасность отравления таллием (солями), использование берлинской лазури как антидота.

презентация , добавлен 11.03.2014


Периодическая система Д.И. Менделеева. Характеристика химического элемента алюминия, его химические и физические свойства. Ценность "серебра из глины" в период его открытия. Способ получения алюминия, его содержание в земной коре, важнейшие минералы.

презентация , добавлен 11.11.2011


Происхождение, методы получения и физико-химические свойства висмута - химического элемента V группы периодической системы Д.И. Менделеева. Содержание в земной коре и в воде, добыча и производство. Применение в промышленности, машиностроении и в медицине.

курсовая работа , добавлен 01.05.2011


Свойства алюминия: его получение, применение и химические свойства. Виды щелочей в алюминатных растворах. Оксиды и гидроксиды алюминия. Корунд как наиболее устойчивая форма глинозёма. Природные соединения алюминия: боксит, корунд, рубин и сапфир.

реферат , добавлен 27.03.2009


Общая характеристика алюминия как элемента периодической таблицы химических элементов. Физико-химические свойства алюминия. Химический опыт с исчезновением алюминиевой ложки. Амфотерные свойства гидроксида алюминия. Необычная реакция вытеснения.

лабораторная работа , добавлен 09.06.2014


Атомные, физические и химические свойства элементов подгруппы меди и их соединений. Содержание элементов подгруппы меди в земной коре. Использование пиро- и гидрометаллургическиех процессов для получения меди. Свойства соединений меди, серебра и золота.